吐哈盆地十三间房地区煤系烃源岩生烃评价及排烃特征

书书书吴志远，彭苏萍，杜文凤吐哈盆地十三间房地区煤系烃源岩生烃评价及排烃特征［Ｊ］矿业科学学报，２０１６，１（２）：１０３－１１２ＷｕＺｈｉｙｕａｎ，ＰｅｎｇＳｕｐｉｎｇ，ＤｕＷｅｎｆｅｎｇＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｅｘｐｕｌｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌｍｅａｓｕｒｅｓｏｕｒｃｅｒｏｃｋｉｎＳｈｉｓａｎｊｉａｎｆａｎｇａｒｅａ，ＴｕｈａＢａｓｉｎ［Ｊ］ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６，１（２）：１０３－１１２吐哈盆地十三间房地区煤系烃源岩生烃评价及排烃特征吴志远，彭苏萍，杜文凤煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京１０００８３收稿日期：２０１６－０５－１３　基金项目：国家重点研发计划课题（２０１６ＹＦＣ０５０１１０２）；国家科技重大专项课题（２０１６ＺＸ０５０６６－００１）；国家自然科学基金煤炭联合项目（Ｕ１２６１２０３）作者简介：吴志远（１９８７—　），男，河南信阳人，博士研究生，主要从事煤系烃源岩评价、油气盆地模拟方面的研究。Ｔｅｌ：[phone]，Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]摘　要：利用钻井、地震数据及三维地质建模技术对十三间房地区煤系烃源岩厚度及分布特征进行了预测，根据地球化学测试数据对十三间房地区水西沟群烃源岩的有机质类型、有机质丰度、有机质成熟度进行了评价，利用生烃潜力法建立了研究区烃源岩的排烃模式，明确了研究区的排烃特征。研究结果表明，研究区西北部烃源岩厚度较大，在３５０～６００ｍ之间，平均值为４８０ｍ。烃源岩有机质丰度较高，处于成熟—高成熟热演化阶段，有机质类型主要为Ⅱ、Ⅲ类，具有一定的生烃潜力。研究区水西沟群煤岩排烃门限深度为２０００ｍ，最大排烃率为５３０ｍｇ／ｇ，在２５００ｍ处迅速达到排烃高峰，最大排烃速率为１５０ｍｇ／（ｇ·ｈｍ）；煤系泥岩排烃门限深度为２２００ｍ，在２８００ｍ处迅速达到排烃高峰，最大排烃率为３２０ｍｇ／ｇ，表明研究区具有一定的开采潜力。本次研究对相似地质条件地区生烃和排烃研究具有一定的借鉴意义。关键词：十三间房；煤系烃源岩；排烃特征；资源潜力中图分类号：ＴＥ１２２１　　　　文献标志码：Ａ文章编号：２０９６－２１９３（２０１６）１０－１０３－１０ＥｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｇｅｎｅｒａｔｉｏｎａｎｄｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｅｘｐｕｌｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｃｏａｌｍｅａｓｕｒｅｓｏｕｒｃｅｒｏｃｋｉｎＳｈｉｓａｎｊｉａｎｆａｎｇａｒｅａ，ＴｕｈａＢａｓｉｎＷｕＺｈｉｙｕａｎ，ＰｅｎｇＳｕｐｉｎｇ，ＤｕＷｅｎｆｅｎｇＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＣｏａｌＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＳａｆｅＭｉｎｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｔｙｐｅ，ａｂｕｎｄａｎｃｅｏｆｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒａｎｄｍａｔｕｒｉｔｙｏｆｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｏｆｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｏｆＳｈｕｉｘｉｇｏｕｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｎＳｈｉｓａｎｊｉａｎｆａｎｇａｒｅａｈａｄｂｅｅｎｅｖａｌｕａｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｇｅｏｃｈｅｍｉｃａｌｔｅｓｔｄａｔａ．Ａｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｅｘｐｕｌｓｉｏｎｍｏｄｅｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａｈａｓｂｅｅｎｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｇｅｎｅｒａｔｅｄｐｏｔｅｎｔｉａｌｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｔｈｅｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｅｘｐｕｌｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｈａｓｂｅｅｎｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｔｈａｔ，ｔｈｅｎｏｒｔｈｗｅｓｔｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａｗｉｔｈｔｈｅｔｈｉｃｋｓｏｕｒｃｅｒｏｃｋ，ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓｂｅｔｗｅｅｎ３５０－６００ｍ，ｔｈｅａｖｅｒａｇｅｉｓ４８０ｍ．Ｈｉｇｈｅｒａｂｕｎｄａｎｃｅｏｆｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒａｎｄｔｈｅｔｈｅｒｍａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎｓｔａｇｅｉｓｂｅｔｗｅｅｎｍａｔｕｒａｔｉｏｎｔｏｈｉｇｈｍａｔｕｒａｔｉｏｎ，ｔｈｅｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｔｙｐｅｓｍａｉｎｌｙｆｏｒｃｌａｓｓⅡａｎｄⅢ，ｈａｓａｃｅｒｔａｉｎｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｇｅｎｅｒａｔｉｎｇｐｏｔｅｎｔｉａｌ．ＴｈｅｅｘｐｕｌｓｉｏｎｔｈｒｅｓｈｏｌｄｄｅｐｔｈｏｆｃｏａｌｐｅｔｒｏｇｒａｐｈｙｉｎｔｈｅＳｈｕｉｘｉｇｏｕＧｒｏｕｎｄｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａｉｓ２０００ｍ，ａｎｄｔｈｅｂｉｇｇｅｓｔｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｅｘｐｕｌｓｉｏｎｒａｔｅｉｓ５３０ｍｇ／ｇ．Ｉｎｔｈｅ２５００ｍ，第１卷　第２期２０１６年１０月矿　业　科　学　学　报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＩＮＩＮＧＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＶｏｌ１　Ｎｏ２　Ｏｃｔ２０１６ｑｕｉｃｋｌｙｒｅａｃｈｉｎｇｔｈｅｐｅａｋｏｆｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｅｘｐｕｌｓｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｂｉｇｇｅｓｔｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｅｘｐｕｌｓｉｏｎｒａｔｅｉｓ１５０ｍｇ／（ｇ·ｈｍ）．ＴｈｅｅｘｐｕｌｓｉｏｎｔｈｒｅｓｈｏｌｄｄｅｐｔｈｏｆｃｏａｌｙｍｕｄｓｔｏｎｅｓｉｎｔｈｅＳｈｕｉｘｉｇｏｕＧｒｏｕｎｄｏｆｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａｉｓ２２００ｍ，ａｎｄｔｈｅｂｉｇｇｅｓｔｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｅｘｐｕｌｓｉｏｎｒａｔｅｉｓ３２０ｍｇ／ｇ．Ｉｎｔｈｅ２８００ｍ，ｑｕｉｃｋｌｙｒｅａｃｈｉｎｇｔｈｅｐｅａｋｏｆｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｅｘｐｕｌｓｉｏｎ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｓｔｕｄｙａｒｅａｈａｓｃｅｒｔａｉｎｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎｐｏｔｅｎｔｉａｌ．Ｔｈｅｓｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓｈａｖｅｃｅｒｔａｉｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｏｆｔｈｅｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｅｘｐｕｌｓｉｏｎｓｔｕｄｙｆｏｒｔｈｅａｒｅａｗｈｉｃｈｈａｓｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｈｉｓａｎｊｉａｎｆａｎｇａｒｅａ；ｃｏａｌｍｅａｓｕｒｅｓｏｕｒｃｅｒｏｃｋ；ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｅｘｐｕｌｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ；ｒｅｓｏｕｒｃｅｓｐｏｔｅｎｔｉａｌ　　十三间房地区位于吐哈盆地小草湖含油气系统东缘，西侧已发现来自侏罗系油气源的红台油气田，区内早期探井解释了少量的烃源岩并见油气显示，说明十三间房区块具有一定的资源潜力，但该区侏罗系处于凹陷边部，整体埋藏较浅，烃源岩发育情况、烃源岩排烃特征不清楚，严重制约了研究区的油气勘探开发工作。因此，对十三间房地区煤系烃源岩分布、排烃特征进行分析，对于该地区今后油气开采具有重要的意义。烃源岩的发育情况是判断勘探区是否具有生烃潜力的关键因素［１］。十三间房地区位于小草湖洼陷东缘，前人研究表明，小草湖地区中侏罗统煤系源岩发育，烃源岩演化程度高，生烃潜力大，油气资源丰富，天然气相对富集，但整体勘探程度较低［２］。煤系烃源岩生、排烃研究是石油地球化学研究的难点。与其他类型烃源岩不同，煤系烃源岩具较强的有机物的吸附能力，排烃过程复杂［３］。研究表明，煤的吸附能力远高于泥岩，煤阶越高，对油气的吸附能力也越大。因此，只有当煤的吸附能力被饱和或克服时，烃类才能运移出来［４］。由于煤系烃源岩常常与泥质烃源岩同处于煤系地层，导致其具有较高的吸附性，致使煤系烃源岩的排烃门槛较泥质烃源岩高［５］。同时，不同的学者对煤系烃源岩的排驱机理也有不同的研究结果，如气驱动、沥青网络、油为主含少量溶解气的连续体相运移等［６－７］。黄第藩等（１９９９）将煤成油排驱过程划分为３个阶段［８］：未成熟时以水溶、水驱为主，有ＣＯ２助运的压实排驱阶段；成熟时以油为主、含少量溶解气的连续整体油相运移阶段；高成熟时以凝析气为运移方式的气溶式运移阶段。一般来讲，煤系烃源岩的排烃机理与一般泥质烃源岩的排烃机理是统一的，都必须满足烃源岩排烃的临界条件，排烃过程的演化都遵循水溶、油溶到气溶式运移的规律［９］。但煤系源岩特殊的结构特征决定了其排烃门槛高、排烃动力弱，具有更高的排烃难度。因此，对于煤系烃源岩的研究还有很多问题需要解决［１０］。前人对吐哈盆地煤系烃源岩生烃和排烃研究结果显示，需要充分考虑二次运移过程的作用，同时还需要更深入地了解研究煤成油气的生烃和排烃特征［１１］。对葡北、鄯善及吐玉克油气田生烃、排烃研究结果显示，葡北油田生油岩供油气能力小，只有在新近纪到第四纪才有一定的生烃、排烃过程；鄯善油气田生烃和排烃高峰主要位于晚侏罗世—早白垩世、早白垩世晚期—晚白垩世；吐玉克油气田主要生烃期为晚白垩世—早白垩世［１２］。本次研究利用钻井、地震等数据对研究区烃源岩分布进行了预测，利用岩石热解数据对研究区烃源岩有机质丰度、有机质类型及源岩成熟度等进行了分析描述，利用生烃潜力法对研究区烃源岩的排烃率、排烃速度、排烃效率等特征进行了分析，以期为下一步的勘探开发提供指导及借鉴。１　研究区地质概况研究区位于吐鲁番坳陷东部、了墩隆起西北部，西部紧邻小草湖洼陷，是台北凹陷小草湖洼陷的东延部分，结构和构造简单，自北向南构造带划分为山前带、南斜坡和了墩隆起三个构造单元，如图１所示。研究区侏罗纪以来一直表现为北断南超，北为博格达山，南为觉罗塔克山（了墩隆起）。在侏罗纪时期研究区一直处于一个北陡南缓的前陆洼陷，在西山窑组、三间房组和齐古组沉积前均有一次逆冲造山成盆，并造成南北缘抬升剥蚀［１３－１４］。不同古山系的存在，造成了具有多物源、多搬运方式的沉积特点。从三间房期开始，南部黑方台隆起已经出现并成为洼陷南斜坡的主要物源区，近物源是本区中上侏罗统沉积的基本特征之一。研究区内侏罗系地层发育最为完整，是研究区内最重要的一套生油气源岩，其主要包括齐古组（Ｊ３ｑ）、七克台组（Ｊ２ｑ）、三间房组（Ｊ２ｓ）、西山窑组（Ｊ２ｘ）和八道湾组（Ｊ１ｂ），如图２所示。其中西山窑组（Ｊ２ｘ）和八道湾组（Ｊ１ｂ）组成的水西沟群是研究１０４矿　业　科　学　学　报第１卷区主要的生油气地层。图１　研究区位置Ｆｉｇ．１　Ｌｏｃａｔｉｏｎｍａｐｏｆｓｔｕｄｙａｒｅａ图２　研究区地层分布情况及沉积环境Ｆｉｇ．２　ＤｉａｇｒａｍｏｆｓｔｒａｔｉｇｒａｐｈｉｃａｎｄｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｉｎｅａｓｔｅｄｇｅｏｆＴａｉｂｅｉｓａｇ２　研究方法２．１　烃源岩厚度预测方法研究区内及周缘地区钻井有Ｆ１井、Ｄ１井、Ｈ１井等７口，且主要集中在研究区西北部地区。针对可利用钻井数据较少、预测面积大等难题，本次研究结合研究区内钻井、测井及地震数据等，利用三维地质建模技术对研究区烃源岩的空间分布进行了预测。其中，三维地质建模技术的流程为：地震数据解释简单网格创建建立地层格架建立地层结构几何模型建立概率趋势模型相模型烃源岩厚度预测。２．２　源岩地球化学特征分析方法２．２．１　烃源岩成熟度分析方法利用岩石热解实验对烃源岩成熟度进行了测试，并得到可溶烃含量Ｓ１［毫克（烃）／克（岩石）］、热解烃含量Ｓ２［毫克（烃）／克（岩石）］和热解烃峰值温度Ｔｍａｘ（℃）三项基本热解参数。由此三项热解参数得到Ｐｇ（产油潜力）、Ｉｐ（产率指数）、Ｉｈ（氢指数）、ＣＰ（有效碳）、Ｄ（降解潜率）及Ｉｈｃ（烃指数）等派生参数。２．２．２　烃源岩有机质丰度判断方法有机质丰度是判断烃源岩生烃潜力的重要指标。陈建平等［１５］对煤系烃源岩有机质丰度的划分做过大量研究，并提出了煤系烃源岩有机质丰度的划分标准（表１）。２．２．３　烃源岩有机质类型确定方法有机质类型反映了烃源岩有机质的显微组分和化学结构特点。目前，用来确定成烃母质类型的地球化学参数很多，本次研究主要采用干酪根元素、碳同位素、岩石热解、可溶有机质地球化学特征等。有机质类型决定着生成油气的组成和性质，进而影响源岩产烃能力及油气组成。有机质类型的判别方法很多，本文参考黄第藩［１６］等使用的方法，